由水到冰，水立方“变形记”

刚刚过去的元旦，对于所有忙于冬奥会的人来说，这是一个重要的日子：北京冬奥会的所有场馆将于2020年12月31日全部完工。

国家游泳中心（水立方）是第一个完工的场地，也是世界上第一个使用智能技术创建游泳池改造溜冰场的场地。现在，它有了一个新名字，冰立方。

时间可以追溯到2015年7月31日，当时2022年冬季奥运会将主办北京。按照计划，水立方将改造成一个"冰立方"来举办冰壶比赛——在中国最著名的场地，晶莹剔透的蓝色薄膜结构，招待来自世界各地的游客，一切似乎都很完美。

出乎意料的是，这个先入为主的决定让水立方的命运陷入了两难境地：冬奥会冰壶比赛一直被冻结在混凝土结构上，如果举办在水立方体上，只能完全放弃原有的功能，在池中浇筑混凝土。

结果，水立方体将不再有"水"。

一边是中国人民的重要奥运遗产之一，有着特殊的情结，是"世界最快的游泳池"，创造了24项世界纪录，另一方面是冰壶场馆的严格标准，国际奥委会的严格控制和"科技冬奥会，绿色冬奥会"的庄严承诺。

水还是冰，夏天还是冬天——这个艰难的选择命题，摆在冬奥代表队面前。

水立方从这里走向何方？

"没有水，就没有灵魂。"

放弃游泳池，北京国有企业国家游泳中心总经理杨启勇是最不可接受的。

自2004年以来，他一直在水立方工作。当时，水立方还是一块空地，中轴线西侧的"蓝色地标"依然停留在刚刚赢得体育场设计的图纸上。从一名现场工程师开始，杨启勇经历了场馆的崛起，2008年奥运会赛事，随后是上千个日日夜夜的场馆运营，无数人前来。迄今为止，Water Cube已经接待了2700万游客，并举办了1，600多场活动。

加入冬奥申办，这个场馆独特的气质和影响力得到了国际冬奥会和国际冰壶组织的一致喜爱。"申办团队问我们打冰壶是否可以，我们在网上看了视频，觉得冰壶、速度滑冰、冰壶运动不是太大的运动范围，应该比较放松。杨启勇回忆道。

现实情况却大相径庭。经过接手决心，我们意识到原来冰壶比赛是一个极其难以咀嚼的"硬骨头"，场地的技术要求非常高，需要一个坚实的混凝土基础。

这也是国际冰壶组织的明确要求。2015年底，国际冰壶组织首次访问水立方，要求将混凝土倒入游泳池。

一旦倒入，游泳池就会被遗弃，这意味着放弃水立方的夏季奥运会特色。

在设计总负责人、北京建筑设计院副总厨郑芳的旁白中，各种不愿具体化。

"郭靖静等人在那里拿了金牌。他指着远处的十米平台，"中国跳水'梦之队'拿下了除男子10米跳台之外的所有金牌。"

游泳池的荣耀就像昨天一样。"2008年，运动员在这个池子里创造了21项世界纪录24次。菲尔普斯仅赢得了八枚金牌。"眼睛转向另一边，"有一个水上乐园，孩子们特别喜欢博物馆甚至有一个婴儿游泳池。

"水是这座建筑的灵魂，"郑一再说。每个人都来这里游泳和玩水。你看看上面屋顶上的气泡，多边形的空气枕像水分子一样包裹着房子的钢结构。内部和外部，从结构到功能，一切都与水有关。没有水，房子就没有灵魂。"

十年来，国际游泳和跳水比赛每年都如期举行，"当观众来的时候，电视就播了起来。"杨启勇说。

除了"情感上难以接受"之外，他还有一个真正的"经济账户"：水立方体占总收入的三分之一，基于夏季奥运会的光环和吸引力以及对奥运遗产的热爱，在全国首屈一指。一旦轨道被破坏，后台设备和机器将被弃用，代价高昂。

没有其他方法可以浇筑混凝土。每个人的不满和矛盾的准备时间流逝。

杨启勇知道，等不及"死"了，要拯救游泳池！

在2016年初，矛盾已经存在。两个并肩作战多年的老朋友在游泳池边徘徊。与此同时，一个大胆的想法闪现了：你能在夏天游泳，在冬天滑冰，把水立方变成两栖舰艇吗？

"水冰转换"是奥运史上史无前例的做法，为破土动工提供了希望。

"难"冰

顾名思义，"水冰转换"是在保留水功能的基础上，实现水立方和"冰块"的互换。

这不是飞行仙女的想法。凭借多年的施工经验，结构工程师杨启勇有信心在游泳池中铺设可拆卸的稳定支撑结构。

但是当你走到冰面上时，就没有底部了。

在此之前，世界上只有一个日本游泳池在1990年代在游泳池上铺设了简单的冰块用于滑冰和娱乐，但普通滑冰和奥林匹克级冰壶比赛的娱乐性质，转变就像云和泥一样困难。更令人沮丧的是，国内对冰性能的研究仍然是空白的。

冰壶比赛的"冰"是众所周知的。

如果你曾经接触过赛道，你会惊讶地发现它不是一个平坦，光滑的冰面，而是一块微小的颗粒，所有颗粒的大小和不均匀度相同，共同构成了溜冰场的一半左右。冰壶在冰点处的"鹅卵石路"上快速滑行。

长45米，宽4.75米，整个厚度为4~5厘米的冰块，其实就像一块"切蛋糕"，制冰机按顺序铺设每一层。从底部冰到制冷管道，再到比赛冰，每块冰，国际顶级制冰机通常需要大约10个工作日，用细水管处理纯净水数百次倒在上面，细平，喷出水雾，形成凝固点。

冰壶赛道也不是永恒的水平冰面，随着冰壶在赛道上继续滑动，造冰机的反复冰修复，甚至室内环境的一些变化，赛道表面发生了微妙的变化。

用郑方的话说，冰很"敏感"。

冰壶比赛要求场地湿度在30摄氏度以下，冰温在零下8摄氏度左右，冰块1米以上的空气温度在10摄氏度以内，博物馆的温度在16摄氏度以内，这些数据会直接影响冰壶和冰之间的摩擦系数。冰壶馆里到处都是灯光、摄像机和各种各样的观众，他们会产生大量的热量，并对冰层产生影响。总之，空气温度、湿度、气流场分布等矩都会影响轨道的质量。

因此，在水立方中开展冰壶比赛，不仅"冰冻出标准冰"，体育场内的温度、湿度、通风、节能等都面临着全面的转变。

中国项目的"不确定未来"

2016年4月，国际冰壶联合会在瑞士巴塞尔主办了世界男子冰壶锦标赛，邀请杨启勇和郑芳参观比赛，并学习经验。杨启勇知道，"短兵相约"的时机已经到来。他们将水立方"水冰转换"计划带到了巴塞尔。

一进门，还没有提交提案，世界冰壶联合会的技术代表首先给出了一页，书上29项技术标准。这是杨启勇和郑芳第一次看到冰壶的世界标准，也是他们第一次意识到情况的严重性：相比之下，水立方几乎不尽如人意。

第5条甚至明确指出，世界冰壶联合会更喜欢使用具体的基层，其他选择应寻求批准。

混凝土底座是传统和安全的。"水冰转换"方案设想在原来的泳池赛道上建造一个标准的冰壶场地，方法是建造一个可转换的结构并安装一个可拆卸的冰系统。一旦在冬季，结构被拆除，游泳池返回。

没有人知道体育场创新用途的"中国计划"是什么。

"你只能进去，你不能退缩，别无选择。杨启勇形容当时的心情，"我们拒绝浇水的具体方案，希望给机会做水冰转化实验。如果不能达到所有标准，则给予无条件服从。"

军令发出，水立方暂时"逃脱了抢劫"。

"冰水两天"

作为2008年北京奥运会的主要水上运动比赛场地，水立方总建筑面积为65000~8万平方米，地下部分建筑面积不少于15000平方米，设有多个游泳池、平台和一个占地一半的戏水公园。

从高温高湿的泳池环境，到低温、干冰场的环境，可谓"冰水两天"，其技术难度和工程复杂度远超想象。

构建改造结构是转型的首要问题，注重快速、稳定、高精度。

冰壶比赛对冰面的平整度要求非常高，每平方米在重量为150公斤的情况下，冰变形不能超过1毫米，据助冰师张金泉介绍："我们开发了定制可拆卸钢结构作为冰下主体结构，为冰壶回路提供坚实的结构支撑。"

赛道下方是钢结构支撑系统，其次是10厘米轻质混凝土预制板和两层5厘米隔热层，其次是PE防潮隔离层和无纺布层，在7厘米的冰管和蜂窝支撑下，才是运动员接触到的真正冰面。

作为最终冰面的基础，混凝土板两米以内的高度差不能大于3毫米，全高差不能大于6毫米，这是装配结构安装误差的极限。

在改造中，很多原本引以为傲的设计，此刻已经成为一个亟待解决的问题。例如，引人注目的"蓝色气泡立面"。

水立方的蓝膜结构是光和透光，但对于"娇小"的冰面，早晚的阳光是不友好的。据高级技术经理石玉桥介绍，他们在膜结构下覆盖了一层PVC，以水立方"拉开帷幕"，避免阳光对冰的冲击。黑色薄膜也可以移除，直到水立方切换到夏季模式。

冰壶运动被称为"咆哮运动"，冰壶运动员在没有扬声器设备的情况下比赛，全靠喊叫，对于场地的声音环境要求非常高，为此，团队进行了五次模拟噪声实验，以达到1.8秒的混响效果。

技术专家共同努力打破僵局。

2019年，科技部会同北京、河北、北京冬奥组委，将与教育部、工业和信息化部、国家体育总局等部门共同组建"科技型冬奥会"领导小组，协调设计冬奥会科技重点任务， 为北京冬奥会和冬残奥会提供科技支撑。

清华大学、哈尔滨工业大学、同济大学、中国建设局、商塘科技等志愿者加入东北农业大学，包括国内顶尖科研力量齐聚一堂，在科技部的部署下，致力于冰的内部性能和外部冲击研究寻求突破。

其中一些，其中一些研究极地冰川，一些研究海洋冰对钻井平台的影响，一些专门研究热力学，研究低温空调，是运动冰研究"扫球"。

从某种程度上说，他们正在为国内运动冰研究"开辟道路"。

在杨启勇看来，这当然是出于体育场馆建设的需要，而是延伸了更长的价值。

冰壶作为一种进口，原本在奥运荣耀战略中，因为它更适合亚洲人参加，为了扩大中国的冰雪项目金牌而引入。十多年来，涨潮一直在那里，平坦的山谷更多。由于该国没有对冰的系统研究，因此没有人向运动员提供基本和必要的冰信息。在世界顶级赛事中，冰面的微妙变化会影响关键时刻的战术选择，而中国运动员则在"读冰"方面表现薄弱。

相比之下，老强队积累了很多历史经验，能看懂冰面做出更好的判断。由于缺乏研究信息，国内运动员遥不可及。

通过开创性的冰研究，一方面解决标准不均匀、冰面不完善的问题，另一方面，也可以积累数据和经验。"如果一个运动员能够知道当一场比赛进入第五局时，冰上会发生什么，他绝对可以在他脑海中庞大的计算系统中选择更好的策略。杨启勇说，"我们投入了大量的精力进行研究，转过身来给他们数据，成为竞争对手的'帮手'。"

此外，中国难得一见的职业——高水平制冰者，也可以在这个过程中成长起来，为中国未来的制冰工作提供了"模范工作模式"。

用"聪明的大脑"来指导过渡

2019年底，水立方近60天来首次成功完成"水冰转化"。2020年12月，第二次"水冰改造"结构顺利完成，仅用十天时间就实现了"科技型冬季奥运会"重点专项目标。

大大加速的"水到冰"的背后，是智能化改造的加入。

据了解，二次改造由2600块薄壁H型钢和1570块轻质混凝土预制板组成的转换结构，每块（块）钢梁和混凝土预制板都有自己的"数字身份"，在转换施工中，可以准确、高效地复位每个构件。在施工过程中，通过将动作捕捉技术与施工测量技术相结合，大大提高了安装精度。

"冰壶赛道非常平坦。去年，对混凝土板进行了调整，工人每平一块板，都要涉及八块板，测量非常耗时。现在配备10个高精度传感器，实时反映高差异变化，一次调平到位。杨启勇表示，该技术将更加成熟，"水冰转化"也可以有效。

传统场馆变得"智能"

变化不仅发生在游泳池中，水立方体变成了冰块，传统场地变成了真正智能的场地。

杨启勇表示，"水冰转换"要求场地后台的机械设备、控制系统能够随着场地功能的需要而变化，在此期间还要承接商业活动。这对智能设备水平乃至物业管理水平提出了巨大挑战。

为确保"冰立方"的室内环境条件符合冰壶比赛的要求，场馆建立了由4000多个传感器主导的楼宇设备管理系统，可以监测和控制温度、湿度、PM2.5浓度等方面的变化。在这个系统的精确控制下，冰壶赛道的冰温达到了零下8.5摄氏度的要求，冰1.5米的高温一直保持在10摄氏度，看台观众区的温度恒定在16到18摄氏度，真正做到"同一房间不同的日子"。

在围绕溜冰场的观众平台下方，您可以看到一条直径1米的蓝色"布袋"条。这种"布管"是一种除湿空气输送系统，除湿系统处理的低温低湿度空气通过它，被均匀地吹过现场。

地下，隐藏在一个60平方米的控制室里，墙面屏是水立方智能楼宇运营管理平台，实时显示制冰系统、除湿系统、能源系统、票务系统等操作场地设备系统智能控制。视觉能量控制还可以有效地控制场馆的能耗和碳排放。

石玉桥说，到冬奥会期间，观众将能够通过人脸识别进出场馆，并顺利走过新的四个智能引导屏幕。

"我们不是在赌博。

回想一下"幻想"方案，硬碰硬的测试，到第一次测试成功，"策略基本认可"，达到冬奥标准"运动员无怨言"。"我们不是在赌博。一路上，杨启勇说，"'水冰转化'从现实的角度来看，离不开中国科技力量的支撑。现在，我们不仅完成了曾经"不可能"的任务，而且将来会更加精彩。"

2020年11月27日，水立方冰壶场地的翻新工程顺利完成。完成了第二次"水冰转换"的冰壶场地正在向公众开放，同时场地的冰和电气和机械系统的运行仍在继续进行测试和调试。

在郑芳看来，如果在2008年我们通过"设计场馆"来展示科技创新的成果，那么在2022年，我们将用"场馆改造"继续书写这个中国科技创新的故事。

他记得，2018年9月，国际奥委会副会长兼北京冬奥会协调委员会主席小萨马兰奇来到水立方，为水立方的改造做动画，兴高采烈地看着，说："北京正在以一种聪明的方式举办奥运会。

现在，他们已经兑现了自己的承诺。

2022年2月，多达4，600名观众将坐在冰立方中，这是一个美丽的曲线，将在2008年夏天延续水立方的荣耀。

来源：科学日报